SKA：沙漠里的科學奇觀

  　飛機降落在堅硬的紅色沙土地上，艷陽高照，四周一片荒蕪。老鷹在低空盤旋，地面上散落著巨大的蟻穴，偶有好奇又膽大的袋鼠站在樹下，遠遠地盯著我們這批闖入者。

　　這里幾乎保存著澳大利亞腹地最原始的樣貌。但就在這里，西澳大利亞州默奇森郡沙漠區，全世界人煙最稀少的地區之一，國際天文界將建造可能是有史以來最偉大的大科學工程——平方公里陣列射電望遠鏡（Square Kilometre Array，簡稱SKA）。

　　SKA接收面積達一平方公里，是世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡。透過這只巨大的“科學之眼”，人類將有望觀察到天空中從未被發現過的細節。

　　

①澳大利亞SKA探路者射電望遠鏡（ASKAP）。

　　

②志愿者在沙漠里苦中作樂，舉辦“蜘蛛”望遠鏡組裝大賽。

　　

③科學家在講解望遠鏡海量數據存儲、傳輸與處理的原理。

　　地球的眼睛

　　千百年來，天文學家從未停止過探索宇宙的腳步。隨著天文觀測技術的不斷進步，科學家也擁有了越來越強大的觀測設備，幫助他們更加清晰地仰望星空。

　　然而，一些最基本的問題卻仍然沒有得到令人滿意的答案。

　　宇宙的“第一縷曙光”在哪里？第一個恒星和星系是如何形成的？暗能量究竟是怎樣的一種神秘力量？愛因斯坦是對的嗎？當然還有無數人渴望得到解答的那個問題：我們在宇宙中是孤獨的嗎？

　　也許，我們需要一只更加敏銳的“眼睛”。上世紀90年代，關于SKA的設想初步形成，但因預計投入巨大，直到2008年才開始進行概念設計。此后又經歷了SKA組織法人實體的成立、選址等過程。

　　“我們最終確定，SKA的建設將分兩個階段進行。”澳大利亞SKA辦公室項目總經理David Luchetti告訴《中國科學報》記者，“SKA1階段將從2018年持續到2023年，將建設大約相當于整個工程規模10%的望遠鏡；SKA2階段將完成整個望遠鏡陣列的建設。”

　　依據目前的規劃，SKA最終將建設上千面反射面天線和一百多萬個低頻天線，橫跨澳非兩個大陸，將具備無與倫比的觀測范圍，并將超過哈勃太空望遠鏡的圖像分辨率質量。

　　許多學者認為，SKA在本世紀內將至少保持30年的絕對領先地位。如果一切順利的話，它會重新定義人類對宇宙的理解，也無疑將成為地球上的又一個科學奇觀。

　　靜默區內，探路者已出發

　　以默奇森射電天文臺為中心，澳大利亞聯邦政府和西澳大利亞州政府建立了一片廣闊的無線電靜默區，使這里的射頻干擾降到最低限度，為開展射電天文觀測與研究提供完美的保護。SKA的兩個先導項目也已在此安家。科學家正在探索最前沿的新技術，為未來的SKA鋪路。

　　“澳大利亞SKA探路者”（ASKAP）項目是由默奇森天文臺委托澳大利亞聯邦科學與工業研究組織建設的射電望遠鏡。“它會被用于測試新型望遠鏡技術的可靠性，也會用于測試默奇森天文臺是否適合作為SKA的臺址。”SKA科學董事Sarah Pearce說。

　　ASKAP項目主任Antony Schinckel則認為，除了作為探路者，ASKAP本身就是一種新型射電望遠鏡，它由36個直徑12米的反射面天線組成一個陣列，具有很高的靈敏度，可在天空寬闊的區域上進行極高分辨率的巡天。

　　ASKAP的望遠鏡上還裝有一種非常了得的“秘密武器”——相位陣饋源。它能夠同時產生30個單獨的波束，給天線提供廣闊的視場，大大加快了望遠鏡的巡天速度。

　　澳大利亞聯邦科工組織天文與空間科學部代主任Douglas Bock透露，在中國即將竣工的世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）中，這項尖端技術也將得到應用。它將幫助FAST尋找天空中更加微弱和隱蔽的星系。

　　SKA的另一個重要的先導項目默奇森寬場陣列（MWA）也坐落在這一地區。與高大的ASKAP不同，這種“趴”在地面上的低頻射電望遠鏡常被科學家戲稱為“蜘蛛”，每16個“蜘蛛”組成一個“小方陣”，128個“小方陣”構成了整個默奇森寬場陣列。

　　“MWA的工作頻率范圍很寬，在80MHz~300MHz之間，它的視場也很大，能夠很快地對天區進行巡視。”MWA項目主任Randall Wayth說，“現在我們已經進入第三年的運行了。作為SKA的先導項目，MWA會對SKA的關鍵科學目標進行研究，但它并不會集成在SKA中，而是會作為一個獨立的望遠鏡持續工作。”

　　國際合作典范之作

　　西澳州首席科學家Peter Klinken坦承，以往澳大利亞在大型國際科技計劃中只能算是“慢慢融入”。“因此，SKA是這個國家第一次領銜一個如此大型的國際合作項目，它對澳大利亞和西澳州來說都是一個難能可貴的機會。”他告訴《中國科學報》記者，“我們相信，SKA將為射電天文學帶來革命性的變化。”

　　由于科技原因，南非臺地高原地區和西澳州默奇森郡被選為SKA的共同主辦地點。其中，高中頻反射面天線將主要建設在非洲大陸，而低頻天線將主要建設在默奇森地區。

　　這讓SKA成為一個跨越兩塊大陸的宏大工程。在2012年選址階段，澳大利亞和南非在為爭取主辦地展開過激烈的討論甚至競爭，但最終雙方決定聯手，將這個望遠鏡架設在兩個大洲上，最大限度地實現人類的科學夢想。

　　這僅僅是一個例子。實際上從一開始，SKA就是一個國際科技合作的典范之作。除了澳大利亞和南非，加拿大、中國、印度、意大利、新西蘭、瑞典、荷蘭和英國均是SKA的核心成員國，這意味著全世界40%的人口都將參與SKA的建設。

　　中國是SKA的創始國和核心成員國之一，在目前SKA公開發布的11個工作包中，包括中國科學院、中國電子科技集團公司、清華大學等在內的中國科研機構參與了其中6個研發工作。

　　例如，中國電科54所承擔了ASKAP全部36個天線的制造任務，突破了鋁蜂窩夾層面板，現場可更換單元的模塊化設計和現場批量安裝免調測等關鍵技術，天線總體技術指標遠超過要求，將ASKAP高頻信號接收上限提高了一倍。澳大利亞以當地土著居民Wajarri Yamatji人語言命名了36個天線，而為感謝中國的貢獻，第24號天線被命名為Janimaarnu，意為“中國人”。

　　天文之外的無限可能

　　對全世界射電天文學家來說，SKA是一個美好的未來。但SKA能帶給人類的，絕不僅僅是天文學，它還涉及無線電、信息科學、力學、機械、計算數學、系統科學、土木工程、新能源等諸多領域。

　　以超級計算為例，有專家預計，SKA使用的光纖能繞地球兩圈，反射面天線每次傳輸的數據流量相當于全球互聯網的10倍，在1天內收集到的信號可以在一部iPod上播放200萬年……

　　這要求科學家和工程師為SKA設計開發一部能進行海量數據傳輸儲存與處理的超級計算機，而將在其中誕生的前沿網絡技術，或許會遠超人們的想象。

　　就在今年5月，SKA數據處理與高性能計算第三次國際研討會在中國上海召開。在這次會議上，專家們探討了未來在上海建設SKA亞洲科學中心的可能性。上海市政府代表表示將支持在這里建設SKA科學和數據中心，使上海成為SKA科學研究的重要基地。

　　中科院上海天文臺臺長洪曉瑜則認為，建設SKA亞洲科學中心是中國成為天文大國的難得機遇，將為中國天文學實現跨越發展提供強大動力。在這個平臺上，中國可以利用“第一手”信息，作與世界接軌的研究，取得國際領先的成果。

　　“數據處理、能源供應都將成為SKA所面臨的巨大挑戰。”David Luchetti坦言，“不過，這也是澳大利亞與其他成員國對這個項目感興趣的原因。我們都希望能通過SKA的建設，推動整個世界科技的進步。”

　　可以預見，在未來十數年中，機遇、困難、未知、挑戰將始終伴隨著SKA，但人們不妨期待，在不久的未來，這片荒蕪之地會開滿科學之花。